伯斯阿木水庫進(jìn)口段邊坡預(yù)應(yīng)力錨索優(yōu)化設(shè)計(jì)

魯克恩

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

巖質(zhì)邊坡廣泛存在于水利工程的建設(shè)中,其安全穩(wěn)定性對(duì)工程的施工與運(yùn)行有著較大的影響[1]。對(duì)于存在安全隱患的巖質(zhì)邊坡,需施加相應(yīng)的支護(hù)措施,而合理的支護(hù)參數(shù)不僅可以起到增穩(wěn)作用,還能降低工程造價(jià)[2-3]?；诖?國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此展開了研究。楊洪福[4]利用Midas計(jì)算了邊坡坡度和錨桿長(zhǎng)度與安全系數(shù)之間的關(guān)系；張良發(fā)[5]結(jié)合工程實(shí)例研究了錨桿長(zhǎng)度、間距和直徑對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,選取了支護(hù)最優(yōu)參數(shù)；楊弘等提出將設(shè)計(jì)與施工結(jié)合對(duì)錨桿、土釘?shù)脑O(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到節(jié)約成本的目的。本文以伯斯阿木水庫進(jìn)口段開挖邊坡為工程背景,計(jì)算不同的錨索傾角、粘結(jié)直徑以及施加不同的預(yù)應(yīng)力條件下的邊坡安全系數(shù),從而根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取最優(yōu)支護(hù)參數(shù)。

2 工程概況

伯斯阿木水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)和碩縣境內(nèi)的清水河上,是清水河上唯一的控制性水利樞紐工程,工程的建設(shè)任務(wù)為灌溉、防洪,該水庫總庫容為2488.1 萬m3,灌溉面積為11.45 萬畝,防洪保護(hù)對(duì)象為清水河下游的引水樞紐、干渠、和碩縣城、清水河綜合園區(qū)等。根據(jù)規(guī)范確定清水河伯斯阿木水庫工程等別為Ⅲ等,工程規(guī)模為中型。根據(jù)新疆防御自然災(zāi)害研究所2017 年6 月《新疆和碩縣清水河伯斯阿木水庫工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》,設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度。

3 工程地質(zhì)條件及開挖設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)口段邊坡地質(zhì)條件

進(jìn)口邊坡走向約300°～315°,閘井后邊坡高陡,自然坡度65°左右,基巖裸露,巖性為大理巖,屬中硬巖,基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2 m～3 m,弱風(fēng)化層厚10 m～12 m,巖層產(chǎn)狀305°～310°NE∠70°?？傮w來看,進(jìn)口邊坡高陡,巖體較完整,邊坡整體穩(wěn)定。但進(jìn)口邊坡為順向坡,層理與進(jìn)口邊坡近平行,對(duì)邊坡開挖不利,開挖坡度值不宜陡于巖層傾角。

3.2 進(jìn)口段邊坡開挖設(shè)計(jì)

高程1433m以下巖體設(shè)計(jì)開挖邊坡為1∶0,每10 m設(shè)一馬道,馬道寬2 m,高程1433 m～1463 m之間巖體設(shè)計(jì)開挖邊坡為1∶0.3,高程1463 m以上巖體設(shè)計(jì)開挖邊坡為1∶0.5,每10 m設(shè)一馬道,馬道寬2 m。為提高邊坡穩(wěn)定性,在兩級(jí)馬道之間布置預(yù)應(yīng)力錨索加固,其斷面見圖1。

圖1 進(jìn)口段巖質(zhì)邊坡斷面圖

4 邊坡錨索設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

4.1 計(jì)算模型及計(jì)算方法

本文利用摩根斯坦-普瑞斯法計(jì)算進(jìn)水段開挖巖質(zhì)邊坡的安全穩(wěn)定性,建立邊坡模型見圖2,模型底寬240 m,高度190 m。計(jì)算參數(shù)結(jié)合地質(zhì)勘探報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料,如表1所示,主要分為弱風(fēng)化線以上和以下兩部分巖體。

圖2 計(jì)算模型圖

表1 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)

4.2 預(yù)應(yīng)力錨索加固前后效果分析

該開挖邊坡施加錨索前后的滑動(dòng)面及安全系數(shù)見圖3（a～b）,施加錨索傾角15°,預(yù)應(yīng)力400 kN,直徑0.3 m。由圖可知,未施加錨索支護(hù)時(shí),邊坡的安全系數(shù)為1.779,最危險(xiǎn)滑動(dòng)面從開挖面頂部至底部附近；施加錨索支護(hù)后,滑動(dòng)面變化不大,但邊坡安全系數(shù)為2.583,提升約45%,說明錨索支護(hù)起到了很好的增穩(wěn)效果。

圖3 滑動(dòng)面及安全系數(shù)

4.3 計(jì)算方案

由上述計(jì)算結(jié)果可知,施加錨索支護(hù)可以有效提高邊坡的穩(wěn)定性,但不同的錨索參數(shù)帶來的加固效果是不同的,同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中也需要考慮工程的經(jīng)濟(jì)效益和施工難度。基于此,本文主要研究錨索傾角、粘結(jié)直徑以及施加預(yù)應(yīng)力值對(duì)穩(wěn)定性的影響,根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇最優(yōu)支護(hù)方案。本文計(jì)算方案見表2,各因素取6個(gè)水平組進(jìn)行計(jì)算,研究某一因素影響時(shí)控制其它因素不變。

表2 計(jì)算方案

4.4 錨索參數(shù)敏感性分析

4.4.1 錨索傾角的影響性分析

圖4為該巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)值隨錨索傾角的變化趨勢(shì)圖。由圖可知,邊坡安全系數(shù)隨錨索傾角的增大先增大再減小,在傾角在15°～25°區(qū)間時(shí)邊坡的安全系數(shù)較大,傾角在15°時(shí)取得安全系數(shù)最大值2.583。這說明對(duì)于伯斯阿木水庫進(jìn)口段巖質(zhì)邊坡來說,當(dāng)錨索傾角為15°時(shí),可以達(dá)到最佳的錨固效果。因此在巖質(zhì)邊坡錨索加固設(shè)計(jì)中,可以通過合理設(shè)計(jì)錨索傾角以提供更大的抗滑力,從而提升加固效果。

圖4 邊坡安全系數(shù)值隨錨索傾角變化趨勢(shì)圖

4.4.2 錨索粘結(jié)直徑的影響性分析

圖5為該巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)值隨錨索直徑的變化趨勢(shì)圖。由圖可知,邊坡安全系數(shù)隨錨索粘結(jié)直徑的增大先增大再趨于恒定,在直徑為0.3 m時(shí)得到安全系數(shù)最大值2.583,當(dāng)直徑大于0.3 m時(shí),錨索直徑的增加不再能夠提升邊坡的穩(wěn)定性。同時(shí)對(duì)比圖4 可以看出,相比于錨索傾角,錨索直徑的變化對(duì)于安全系數(shù)的影響不明顯。因此在工程設(shè)計(jì)中,大幅度增加錨索的直徑并不能起到很好的加固效果,應(yīng)優(yōu)先考慮調(diào)整錨索傾角。

圖5 邊坡安全系數(shù)值隨錨索直徑變化趨勢(shì)圖

4.4.3 錨索預(yù)應(yīng)力的影響性分析

圖6為該巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)值隨錨索施加預(yù)應(yīng)力值的變化趨勢(shì)圖。由圖可知,邊坡安全系數(shù)隨錨索施加預(yù)應(yīng)力的增大而增大,且在預(yù)應(yīng)力較小時(shí),此時(shí)提高預(yù)應(yīng)力施加值能顯著提高邊坡安全系數(shù),但隨著預(yù)應(yīng)力的持續(xù)增加,邊坡安全系數(shù)的增長(zhǎng)速度會(huì)變得緩慢。以本工程加固效果為例,當(dāng)預(yù)應(yīng)力從200 kN增加至300 kN時(shí),安全系數(shù)提升12.4%；而當(dāng)預(yù)應(yīng)力從600 kN增加至700 kN時(shí),安全系數(shù)只能提升4.7%。由于施加的預(yù)應(yīng)力值增大不僅會(huì)增加施工難度,還會(huì)提高工程成本,因此在實(shí)際工程中需要合理設(shè)計(jì)錨索的預(yù)應(yīng)力值。

圖6 邊坡安全系數(shù)值隨錨索預(yù)應(yīng)力變化趨勢(shì)圖

4.5 邊坡安全穩(wěn)定校核

根據(jù)上述對(duì)錨索傾角、粘結(jié)直徑以及預(yù)應(yīng)力進(jìn)行的相關(guān)敏感性分析結(jié)果,綜合考慮邊坡的加固效果、工程成本以及施工難度,本邊坡工程錨索參數(shù)設(shè)計(jì)如下：傾角15°,粘結(jié)直徑0.3 m,施加預(yù)應(yīng)力300 kN。

按照優(yōu)化后的錨索設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行加固后,分別計(jì)算自然工況和地震工況下的邊坡安全系數(shù),計(jì)算結(jié)果見表3。由表可知,施加錨索加固后,天然工況下邊坡安全系數(shù)為2.474,地震工況下安全系數(shù)為1.648。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 386-2007）中的規(guī)定,進(jìn)水口邊坡級(jí)別為3級(jí),自然工況和地震工況下邊坡的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果均大于規(guī)范規(guī)定的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。因此,在該錨索加固方案下,伯斯阿木進(jìn)口段邊坡是安全穩(wěn)定的。

表3 各工況安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)論

本文以伯斯阿木水庫進(jìn)口段開挖邊坡為工程背景,對(duì)錨索設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算,主要得出以下結(jié)論：

（1）邊坡安全系數(shù)隨錨索傾角的增大先增大再減小,工程設(shè)計(jì)中存在最佳錨固傾角。

（2）邊坡安全系數(shù)隨錨索粘結(jié)直徑先增大再趨于恒定,且其對(duì)于錨索的加固效果影響不大。

（3）邊坡的安全系數(shù)隨錨索施加的預(yù)應(yīng)力值增大而增大,但隨著持續(xù)增加,其增穩(wěn)效果越來越差。

（4）綜合考慮邊坡的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,本工程可采用傾角15°,粘結(jié)直徑0.3 m,施加預(yù)應(yīng)力300 kN的錨索設(shè)計(jì)方案。采用該加固方案后,邊坡的穩(wěn)定性較好,安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。